在时空中纠缠

莎士比亚写道，“世界是一个舞台”，物理学家也倾向于这样认为。他们的舞台恰好是空间本身，对他们来说，空间有时似乎只是栖息于其中的力和场的动作的背景。传统的观点认为，空间根本不是由任何东西组成的。

然而，科学家们已经开始质疑这种传统观念。空间——或者更确切地说，用广义相对论的语言来说，时空——实际上可能由微小的信息块组成。这种观点认为，这些信息块相互作用，创造时空，并产生其属性，例如导致引力产生的曲率。如果这个概念是正确的，它不仅可以解释时空。它还可以帮助物理学家实现长期以来寻求的量子引力理论，该理论将融合广义相对论和量子力学，这两种伟大的宇宙理论往往格格不入。这种被称为“量子比特生万物”的思路，近来引起了越来越多物理学家的兴趣。

这里的“万物”指的是时空，而量子比特（发音为“cue-bit”，来自“量子位”）代表最小可能的信息量——类似于计算机的“比特”，但处于量子尺度。量子比特生万物背后的核心思想是，宇宙是由某种底层代码构建起来的，通过破解这个代码，物理学家最终将找到理解宇宙中大规模事件量子性质的方法。量子比特生万物（IfQ）的早期会议于2016年7月在安大略省的 Perimeter 理论物理研究所举行。组织者预计约有 90 名注册者，但收到了如此多的申请，以至于最终接纳了 200 人，并在其他大学同时运行了六个远程卫星会议。“我认为这是最有希望的研究途径之一，如果不是最有希望的，是通向量子引力的，”麻省理工学院的物理学教授内塔·恩格尔哈特说，她 没有正式参与量子比特生万物项目，但参加过它的一些会议。“它正在蓬勃发展。”

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由于该项目涉及量子计算机科学以及时空和广义相对论的研究，它汇集了两组通常不合作的研究人员——一方是量子信息科学家，另一方是高能物理学家和弦理论家。五年多前，支持科学和数学研究的私人组织西蒙斯基金会授予了一笔赠款，用于成立量子比特生万物合作项目，并资助物理学家研究和举行关于该主题的会议。从那时起，兴奋感不断增长，随后的会议吸引了越来越多的研究人员，其中一些是西蒙斯基金会资助的合作项目的正式成员，还有许多人只是对该主题感兴趣。“这个项目正在解决非常重要但非常困难的问题，”量子比特生万物合作者贝尼·吉田说，他是 Perimeter 研究所的教员 。“合作是必要的——这不像一个人可以解决这个问题。”

即使是不从事量子比特生万物研究的科学家也注意到了。“如果与量子信息理论的联系被证明像一些人预期的那样成功，它很可能会引发我们对空间和时间理解的下一次革命，”哥伦比亚大学的弦理论家布莱恩·格林说，他没有参与量子比特生万物项目。“这是一件大事，非常令人兴奋。”

纠缠时空

时空具有比特或“由任何东西组成”的观点与广义相对论的传统图景有所不同。新的观点认为，时空可能不是根本的，而是可能通过量子比特的相互作用“涌现”出来。这些比特究竟是由什么组成的，它们包含什么类型的信息？科学家们不知道。然而，有趣的是，这似乎并没有困扰他们。“重要的是比特之间的关系”，而不是比特本身，量子比特生万物合作者、马里兰大学帕克分校的助理教授布莱恩·斯温格尔说。“这些集体关系是丰富性的来源。这里的关键不是组成部分，而是它们的组织方式。”

这种组织的关键可能是被称为量子纠缠的奇异现象——粒子之间可能存在的一种奇怪的相关性，其中对一个粒子执行的动作会影响另一个粒子，即使它们之间相隔很远。“最近一个绝对令人着迷的提议是，时空的结构是由时空底层‘原子’的量子纠缠编织在一起的，”宾夕法尼亚大学的物理学家维贾伊·巴拉斯布拉马尼安说，他是量子比特生万物的主要研究人员。“如果这是真的，那就太棒了。”

这个想法背后的推理来自于物理学家早期的几项发现，例如 2006 年，现任普林斯顿大学的柳伸势和现任日本京都大学的高柳匡发表了一篇论文，表明纠缠与时空的几何形状之间存在联系。在这一工作的基础上，2013 年，新泽西州普林斯顿高等研究院的物理学家胡安·马尔达西纳和斯坦福大学物理学家伦纳德·萨斯金德发现，如果两个黑洞发生纠缠，它们将创建一个虫洞——广义相对论预测的时空捷径。这一发现（昵称 ER=EPR，以物理学家对虫洞和纠缠的简写命名，基于提出它们的科学家的名字）以及其他类似的发现令人惊讶地表明，纠缠——以前被认为不涉及物理连接——可以在时空中产生结构。

为了理解纠缠如何产生时空，物理学家首先必须更好地理解纠缠是如何工作的。自从爱因斯坦和合作者在 1935 年预测它以来，这种现象一直显得“幽灵般”，因为它涉及远距离粒子之间的瞬时连接，这似乎无视了没有什么东西可以比光速更快的限制。近来，科学家们一直在研究几种不同类型的纠缠。传统的纠缠涉及在空间中分散的多个相同类型的粒子中连接单个特征（例如粒子的自旋）。但“传统的纠缠是不够的，”巴拉斯布拉马尼安说。“我已经意识到，还有其他形式的纠缠被证明与重建时空的项目相关。”例如，可以将一个位置的某种类型的粒子与同一位置的不同类型的粒子纠缠在一起——这种纠缠不涉及空间。科学家们也在努力解决纠缠更多数量粒子的令人困惑的复杂性。

一旦纠缠的动力学变得清晰，科学家们希望理解时空是如何出现的，就像空气中分子的微观运动如何产生热力学和天气的复杂模式一样。这些是涌现现象，恩格尔哈特说。“当你放大某物时，你会看到一幅不同的画面，你不会知道它是由于更小的动力学而产生的。这是量子比特生万物最令人着迷的事情之一，因为我们不理解时空涌现出来的基本量子动力学。”

宇宙全息图

所有这些工作的主要目标是最终实现一个从量子角度描述引力的理论。然而，在过去的一个世纪里，追求这一目标的物理学家一直受阻——爱因斯坦本人也顽强地追求这样一个理论直到去世，但没有成功。量子比特生万物的科学家们寄希望于一个被称为全息原理的想法来帮助他们。

这个原理表明，一些物理理论等同于在低维宇宙中工作的更简单的理论，就像带有独角兽全息图的二维明信片可以包含描述和描绘独角兽三维形状所需的所有信息一样。由于找到一个可行的量子引力理论非常困难，因此，这种思路认为，物理学家可以致力于发现一个等效的、更易于处理的理论，该理论在维度低于我们宇宙的宇宙中运行。

全息原理最成功的体现之一是被称为 AdS/CFT 对偶性（技术术语“反德西特/共形场论对偶性”的缩写）的发现，它表明人们可以通过描述黑洞表面发生的事情来完全描述一个黑洞。换句话说，内部——3D“体”——的物理学与外部——2D“边界”——的物理学完美对应。马尔达西纳在 20 世纪 90 年代末在弦理论框架内发现了这种关系，弦理论是另一种尝试量子引力理论的方法。弦理论用微小的、振动的弦取代了自然界的所有基本粒子。

AdS/CFT 可能使物理学家发现一个等同于量子引力的理论，实现所有相同的目标，并且可以描述所有相同的物理学，但更易于处理——通过完全排除引力。“具有引力的理论很难获得量子描述，而没有引力的理论更容易完全描述，”巴拉斯布拉马尼安说。但是，有人可能会问，一个排除引力的理论怎么可能成为所谓的量子引力理论呢？也许我们认为的引力和时空只是另一种看待纠缠最终产物的方式——换句话说，纠缠可能以某种方式将来自 3D 体的信息编码到存储在 2D 边界上的比特中。“这是一个非常令人兴奋的方向，”他说。

大约 20 年来，科学家们发现 AdS/CFT 对偶性是有效的——一个 2D 理论可以描述一个 3D 情况，一种被称为对偶性的设置——但他们并不完全理解为什么。“我们知道这两个理论是对偶的，但目前尚不清楚是什么使对偶性起作用，”斯温格尔说。“你可以期望量子比特生万物的一个成果是对这些对偶性如何产生的理论。我认为这绝对可以并且将会作为这次合作的结果发生，或者至少[我们将取得]朝着这个方向的重大进展。”

量子信息理论或许能够提供帮助，因为来自该领域的一个概念，即量子纠错码，也可能在 AdS/CFT 对偶性中发挥作用。研究量子计算的科学家设计了这些代码，以帮助保护信息免受丢失，如果任何东西干扰了比特之间的纠缠。量子计算机不是将信息编码在单个比特中，而是使用多个比特的高度纠缠态。这样，单个错误不会影响任何信息的准确性。然而，奇怪的是，量子纠错码中涉及的相同数学也出现在 AdS/CFT 对偶性中。科学家们用来将多个比特纠缠在一起形成防错网络的排列方式，似乎也可能负责通过纠缠将来自黑洞内部的信息编码到其表面上。“在黑洞内部发现量子纠错码非常有趣，”量子信息科学家、耶路撒冷希伯来大学的量子比特生万物主要研究人员多丽特·阿哈罗诺夫说。“这到底是怎么发生的？这些联系真是令人着迷。”

即使物理学家设法理解 AdS/CFT 对偶性是如何工作的，从而设计出一个可以代替量子引力的低维理论，他们仍然没有完全成功。对偶性本身仅在宇宙的“玩具模型”中起作用，该模型与我们居住的完全实现的宇宙相比有所简化。特别是，适用于我们真实宇宙的所有引力规则在对偶性的简化世界中都不起作用。“AdS/CFT 有一种引力，但它不是像我们居住的膨胀宇宙中的引力理论，”斯温格尔说。“它描述了一个宇宙，就好像它在一个瓶子里一样——如果你照射一束光，它会从空间的墙壁上反弹。这在我们膨胀的宇宙中不会发生。”这个模型为物理学家提供了一个有用的理论游乐场，让他们可以在其中测试他们的想法，简化的图景使处理量子引力变得更容易。“你可以希望它是在最终理解我们自己宇宙中的引力的有用中转站，”斯温格尔说。

一些怀疑论者说，如果量子比特生万物是基于不现实的基础，那么它能有多大的成效呢？“这当然是一个非常有效的批评，”恩格尔哈特说。“我们为什么要关注这个玩具模型？这一切都取决于玩具模型的有效性，以及玩具模型最终代表我们宇宙的想法。我想确保，如果我们理解了玩具模型，我们就理解了真实情况。”量子比特生万物的研究人员押注，通过从一个更易于处理的简化图景开始，他们最终可以增加必要的复杂性，将该理论应用于现实世界。

回报

尽管他们有所怀疑，但项目内外科学家都表示，这种方法值得尝试。它已经开辟了新的研究途径。“我一直觉得量子信息和量子引力之间的关系具有根本的重要性，”加州大学伯克利分校的物理学家拉斐尔·布索说，他没有参与量子比特生万物项目，但曾与它的一些合作者合作。“这种联系多年来一直在加深，我很高兴看到这么多杰出的科学家现在齐心协力，共同面对这些问题，看看它们会把我们引向何方。”斯坦福大学理论家伊娃·西尔弗斯坦没有参与合作，她也表示赞同：“显然值得开发量子信息并将其应用于这些问题。但是，要理解量子引力的动力学，还需要更多，并且对于该领域来说，重要的是不要过于狭隘地关注单一方法。”

此外，即使该项目未能获得量子引力理论的回报，它仍然可能产生有益的副产品。例如，将弦理论和广义相对论的技术和思想应用于量子信息问题，可以帮助更好地定义不同类型的纠缠，既可以用于理解时空，也可以用于构建量子计算机。“当你开始在一个新的环境中玩弄这些工具时，很可能会产生有趣的想法，并且可能在其他领域有用，”阿哈罗诺夫说。“看起来人们在多年来一直存在的问题上取得了进展，所以这令人兴奋。”例如，科学家们发现，通过将虫洞视为量子电路，测量虫洞内的时间可能是可能的。

此外，将量子信息科学与弦理论相结合，不仅可能有助于推导出量子引力理论，还有助于评估研究人员可能发现的任何理论。任何物理理论都可以被认为是一台计算机，其输入和输出类似于该理论的初始状态和可以测量的后期状态——而且有些计算机比其他计算机更强大。一旦研究人员推导出一个量子引力理论，他们就可以问，该理论的计算能力是多少？“如果这种能力太大，如果我们的量子引力模型能够计算出我们不相信可以在我们的世界中计算出的东西，那至少会给该理论打上一个问号，”阿哈罗诺夫说。“这是一种从不同角度判断该理论是否明智的方法。”

该项目让一些物理学家想起了过去其他伟大思想刚刚起步的激动人心的日子。“我在 1984 年成为一名研究生，当时所谓的第一次弦理论革命发生了，”加州理工学院的物理学家大栗博司说。“那是一个非常激动人心的时刻，当时弦理论成为自然界所有力的统一理论的领先候选者。我确实看到了当前围绕它爆发的兴奋感与之类似。对于该领域的年轻人以及我们这些几十年前获得博士学位的人来说，这显然是一个激动人心的时刻。”